课本CH6 控制网络与现场总线技术
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《现场总线控制系统》课件
智能建筑环境监控系统
总结词
智能建筑环境监控系统是利用现场总线 技术实现对建筑内部环境参数的实时监 测和控制的系统，以提高建筑能源利用 效率和居住舒适度。
VS
详细描述
在智能建筑环境监控系统中，现场总线技 术被用于连接各类传感器和执行器，实现 环境参数的实时监测和控制。通过现场总 线控制系统，可以实现对建筑内的温度、 湿度、光照、空气质量等参数的自动调节 ，提高居住舒适度和建筑能源利用效率。
系统安全与隐私保护问题
总结词
随着现场总线控制系统的广泛应用，系统的 安全和隐私保护问题将越来越重要。
详细描述
现场总线控制系统涉及到大量的工业数据和 敏感信息，因此系统的安全性和隐私保护能 力至关重要。未来需要加强系统的安全防护 ，采用更加先进的数据加密、身份验证等技
术，确保系统的安全稳定运行。
标准化与互操作性问题
THANKS
02
现场总线控制系统的组成
现场总线设备
传感器和执行器
用于采集和执行控制动作，是系统的基本单元。
网关和路由器
用于连接不同总线类型，实现数据转换和路由。
控制系统
基于现场总线技术的控制系统，如PLC、DCS等。
通信协议
协议标准
如PROFIBUS、Modbus等，定义了通信规 则、数据格式和传输方式。
06
现场总线控制系统的未来发
展与挑战
新技术与新标准的出现
总结词
随着科技的不断进步，现场总线控制系统将迎来更多新的技 术和标准。
详细描述
随着物联网、人工智能等技术的快速发展，现场总线控制系 统将与这些技术深度融合，形成更加智能、高效的控制系统 。同时，新的标准也将不断涌现，为系统的发展提供更加规 范和完善的指导。
现场总线技术概述
二、几种典型的现场总线介绍
WorldFIP 传输媒体可以是屏蔽双绞线或光纤。 传输速率为： 31.25K bps用于过程控制；1M bps 用于加工制造系统；2.5M bps用于驱动系统。 标准速率为1M bps，使用光纤时最高速率可达5M bps。 目前WorldFIP的总线产品有法国Schneider公司的 Modicon-TBXplc系统；ALSTHOM公司的S－900 SCADA系统等。
二、几种典型的现场总线介绍
PROFIBUS现场总线 PROFIBUS有三个部分组成：
PROFIBUS-FMS（Field Message Specification）：主要 是用来解决车间级通用性通讯任务。可用于大范围和复杂的 通讯。总线周期一般小于100ms。 PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）：经过优化的 高速和便宜的通信总线，它的设计是专门为自动控制系统与 分散的I/O设备级之间进行通信使用的。总线周期一般小于 10ms。 PROFIBUS-PA（Process Automation）：专门为过程自 动化设计的，它可使传感器和执行器按在一根共用的总线 上，甚至在本质安全领域也可接上。根据IEC1158－2标 准，PROFIBUS-PA用双绞线进行总线供电和数据通信。
第一章 现场总线技术概述
主要内容
第一节 现场总线的产生 第二节 现场总线的概念及分类 第三节 现场总线的特点和优点 第四节 现场总线标准的制定 第五节 现场总线的现状
第一节 现场总线的产生
在过程控制领域： 从20世纪50年代至今的信号标准：4-2OmA （0-5V）的 模拟信号。 20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，进行 集中式控制处理。 20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，嵌入到 各种仪器设备，形成分布式(DCS)控制系统。
《网络控制技术》第4章 Profibus现场总线
4.1.2数据链路层
数据链路层定义总线访问方式和数据传输服务。 PROFIBUS总线访问通信为主从式，具有对总线控制权限 的站点称为主站，而通信过程对总线不具备对总线控制权 限的站点为从站。主站决定了总线的数据通信，当主站获 得总线控制权时，可以主动发送信息，而不必有外界的请 求。从站无总线控制权，仅能对接收的信息进行确认或在 主站发出请求后向主站发送响应。 主站间的通信采用逻辑令牌控制方式，所有的主站构成一 个逻辑令牌环，令牌传递在环中传递保证每个主站在确定 的时间得到总线存取权，以确保在任何时刻只有一个站点 发送数据。令牌实际上是一种数据链路层一种特殊的帧， 按地址的升序依次在各主站间传递。令牌循环一周的时间 是事先规定的，各主站持有令牌的时间取决于令牌配置的 循环时间。拥有令牌的主站可与从站通信，向从站发送或令牌 TTH＝TTR－TRR 否
TTH< 0 是 否 有高先级 报文吗 是 处理高优先级报文
有高先级 报文吗 是 处理高优先级报文
否
有高先级 报文吗 是 处理高优先级报文
否
否
TTH< 0 是 否
TTH< 0 是
传递令牌
4.3.2数据链路服务
发送数据需应答
主站 FDL_SDA_ACK.req L_SDU L_PDU FDL_SDA_ACK.ind L_SDU FDL_SDA_ACK.con L_PDU 主站/从站
4.2物理层
每个站点通过9针连 接器与介质连接。连 接器的插座装在站内， 而插头安装在总线电 缆上。最好用金属的 连接器外壳。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
4.2.3物理层(PHY)的服务
《现场总线技术》课程主要内容
答：SAP：服务访问点，IDU：接口数据单元，PDU：协议数据单元，SDU： 服务数据单元，ICI：接口控制信息。 （6）面向连接的服务与无连接服务。
答：面向连接的服务：按照电话系统建模的； 无连接服务：按照邮政系统建模的，存储-转发交换，直通式交换。
（7）OSI 参考模型分为哪 7 层？TCP／IP 参考模型分为哪 4 层？现实实际运行 的网络采用了哪 5 层？
答：IEC61158：工业控制系统用现场总线包括：FF H1，FF HSE，ControlNet， Profibus，P-Net，SwiftNet，WorldFIP，Interbus 八种。
IEC62026：低压开关设备和控制设备用现场总线（设备层现场总线）包括： DeviceNet ，Seriplex（串行多路控制总线），AS-i（执行器传感器接口），SDS （智能分布系统）。
《现场总线技术》课程主要内容
第 1 章 概论
（1）名词解释： CCS（Computer Control System）中央控制计算机系统， DCS（Distributed Control System）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制
系统、 FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统。
（4）如何理解服务、接口和协议？ 答：服务是指某一层向它上一层提供的一组原语（操作）。服务定义了该层
准备代表其用户执行哪些操作，但它并不涉及如何实现这些操作；在每一对相邻 层之间的是接口（interface）。接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务； 协议就是定义通信双方同层对等实体之间传输/交换的数据单元的格式和意义的 一组规则。 （5）SAP、IDU、PDU、SDU、ICI。
答：OSI 参考模型：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示 层，应用层；
答：面向连接的服务：按照电话系统建模的； 无连接服务：按照邮政系统建模的，存储-转发交换，直通式交换。
（7）OSI 参考模型分为哪 7 层？TCP／IP 参考模型分为哪 4 层？现实实际运行 的网络采用了哪 5 层？
答：IEC61158：工业控制系统用现场总线包括：FF H1，FF HSE，ControlNet， Profibus，P-Net，SwiftNet，WorldFIP，Interbus 八种。
IEC62026：低压开关设备和控制设备用现场总线（设备层现场总线）包括： DeviceNet ，Seriplex（串行多路控制总线），AS-i（执行器传感器接口），SDS （智能分布系统）。
《现场总线技术》课程主要内容
第 1 章 概论
（1）名词解释： CCS（Computer Control System）中央控制计算机系统， DCS（Distributed Control System）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制
系统、 FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统。
（4）如何理解服务、接口和协议？ 答：服务是指某一层向它上一层提供的一组原语（操作）。服务定义了该层
准备代表其用户执行哪些操作，但它并不涉及如何实现这些操作；在每一对相邻 层之间的是接口（interface）。接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务； 协议就是定义通信双方同层对等实体之间传输/交换的数据单元的格式和意义的 一组规则。 （5）SAP、IDU、PDU、SDU、ICI。
答：OSI 参考模型：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示 层，应用层；
现场总线控制网络
天津工业大学自动化、电气工程及其自动化本科生限修课程工业控制网络与自动化管理技术主讲：郭利进2016.09-12讲解内容:1.现场总线技术概述2.数据通信基础3.控制网络基础4.CAN总线与基于CAN的控制网络5.分布式的网络控制系统6.网络控制系统的实施和管理第1 章现场总线技术概述—工业控制网络与自动化管理技术—天津工业大学郭利进本章内容1.1现场总线简介1.2现场总线系统的特点1.3以现场总线为基础的企业网络系统1.4现场总线技术的标准化返回1.1 现场总线简介1.1.1 什么是现场总线1.1.2 基于现场总线的数据通信系统1.1.3 现场总线控制网络与网络化控制系统1.1.4 现场总线系统适应了综合自动化发展需要1.1.5 早期的现场总线返回1.1.1 什么是现场总线现场总线原本指现场设备之间公用的信号传输线。
后又被定义为应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多结点数字通信的技术。
现在已成为控制网络的代名词。
现场总线IEC定义：一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间进行双向、串行、多节点、数字通信技术。
随着现场总线技术的发展，它不再只是通信标准或通信技术，而成为网络系统与控制系统。
现场总线系统：以测量控制设备作为网络节点，以双绞线等传输介质为纽带，把位于生产现场、具备数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接成网络系统，按公开、规范的通信协议，在多个测量控制设备之间、现场设备与远程监控计算机之间，实现数字传输与信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。
现场总线系统既是一个开放的数据通信系统、网络系统，又是一个可以由现场设备实现完整控制功能的全分布控制系统。
1.1.2 基于现场总线的数据通信系统基于现场总线的数据通信系统有数据的发送设备、接收设备、作为传输介质的现场总线、传输报文、通信协议几部分组成。
1.1.3 现场总线控制网络与网络化控制系统 控制网络的定义：控制网络也称网络化的控制，它将多个分散在生产现场、具有数字通信功能的测量控制仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信连接的纽带，把现场控制设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。
《现场总线》教案新部编本--第1章
教师学科教案
[20 – 20学年度第__学期]
任教学科：_____________
任教年级：_____________
任教老师：_____________
xx市实验学校
成都理工Байду номын сангаас学《现场总线技术》课程
教 案
教师姓名黄洪全
所在学院核自院
授课专业电气
课程代码0605C408
总 学 时40学分2.5
教材名称《现场总线技术》
2.从生活中、工业中引出网络控制的作用。
3. 过程控制的参数。
4.FCS与DCS的比较。现场总线的定义、种类及发展。
5.总结。
思考题、讨论题、作业：
举出一些网络控制的例子，说明作用。
现场总线技术及其应用.阳宪惠主编.清华大学出版社，1999年出版
教学后记：
2007年 8 月 日
授课时间
第1次课
授课题目
第一章现场总线技术概述（学时）
教学目的与要求：
了解现场总线基础知识
教学基本内容：
自动化系统的发展历程及各自的特点。FCS与DCS的比较。现场总线的定义、种类及发展。
教学重点和难点：
FCS与DCS特点及优缺点对比，现场总线的本质
教学过程：
1.首先讲述本门课在自动化控制方面的重要性，使学生明确学习任务。
[20 – 20学年度第__学期]
任教学科：_____________
任教年级：_____________
任教老师：_____________
xx市实验学校
成都理工Байду номын сангаас学《现场总线技术》课程
教 案
教师姓名黄洪全
所在学院核自院
授课专业电气
课程代码0605C408
总 学 时40学分2.5
教材名称《现场总线技术》
2.从生活中、工业中引出网络控制的作用。
3. 过程控制的参数。
4.FCS与DCS的比较。现场总线的定义、种类及发展。
5.总结。
思考题、讨论题、作业：
举出一些网络控制的例子，说明作用。
现场总线技术及其应用.阳宪惠主编.清华大学出版社，1999年出版
教学后记：
2007年 8 月 日
授课时间
第1次课
授课题目
第一章现场总线技术概述（学时）
教学目的与要求：
了解现场总线基础知识
教学基本内容：
自动化系统的发展历程及各自的特点。FCS与DCS的比较。现场总线的定义、种类及发展。
教学重点和难点：
FCS与DCS特点及优缺点对比，现场总线的本质
教学过程：
1.首先讲述本门课在自动化控制方面的重要性，使学生明确学习任务。
现场总线技术及其应用PPT.
这方面的知识,冬冬会不会食物中毒？
满足工业现场应用的性能要求。与OSI参考模型 2、中毒还有化学性的食物中毒。如：吃了沾有残留的农药的蔬菜就会引起中毒。
彬彬有礼地介绍
33.根与据客学户生建回立的答互，信列关相出系以应下几层点： 次相比，现场总线标准的物理层、数据
师：这就是要链求同学路们一层日三与餐要定其时定有量。相同的含义。从总线访问子层看，
分层的，但层次之间的调用关系不一定象OSI那样
严格，层次也可简化，以提高协议的工作效率；
既要遵循OSI模型体系结构原则，又要考虑FCS的
特点，满足FCS的特殊要求；在现场总线参数模型
中，既遵循开放系统集成的原则，又充分体现FCS
的特点和特殊要求。
10
1
应用层
2
表达层
3
会话层
4
传输层
5
网络层
6 数据链路层
➢ 70年代末，随着大规模集成电路的出现，微处 理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积 小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系 统，控制效果得到提高，但是尽管如此，还是属 于集中式控制系统。
2
➢ 20世纪80年代初期，计算机和（Direct Digital Control，DDC）技术。随后在计算机网 络技术的带动下，产生了各种以DDC技术为基础的 集散控制系统（Distributed Control System， DCS）。
4
现场总线技术的优点
➢ 现场总线具有的数字化、开放性、分散性、 互操作性和互换性及对现场设备环境的适应 性等特点决定和派生了其一系列优点：
1.节省硬件数量与投资 2.节省安装费用 3.节省维护开销
5
4．系统具有优异的远程监控功能和强大的 （远程）故障诊断功能
满足工业现场应用的性能要求。与OSI参考模型 2、中毒还有化学性的食物中毒。如：吃了沾有残留的农药的蔬菜就会引起中毒。
彬彬有礼地介绍
33.根与据客学户生建回立的答互，信列关相出系以应下几层点： 次相比，现场总线标准的物理层、数据
师：这就是要链求同学路们一层日三与餐要定其时定有量。相同的含义。从总线访问子层看，
分层的，但层次之间的调用关系不一定象OSI那样
严格，层次也可简化，以提高协议的工作效率；
既要遵循OSI模型体系结构原则，又要考虑FCS的
特点，满足FCS的特殊要求；在现场总线参数模型
中，既遵循开放系统集成的原则，又充分体现FCS
的特点和特殊要求。
10
1
应用层
2
表达层
3
会话层
4
传输层
5
网络层
6 数据链路层
➢ 70年代末，随着大规模集成电路的出现，微处 理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积 小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系 统，控制效果得到提高，但是尽管如此，还是属 于集中式控制系统。
2
➢ 20世纪80年代初期，计算机和（Direct Digital Control，DDC）技术。随后在计算机网 络技术的带动下，产生了各种以DDC技术为基础的 集散控制系统（Distributed Control System， DCS）。
4
现场总线技术的优点
➢ 现场总线具有的数字化、开放性、分散性、 互操作性和互换性及对现场设备环境的适应 性等特点决定和派生了其一系列优点：
1.节省硬件数量与投资 2.节省安装费用 3.节省维护开销
5
4．系统具有优异的远程监控功能和强大的 （远程）故障诊断功能
现场总线技术及其应用
典型控制网络结构：罗克韦尔公司
现场总线的实质
现场总线的协议 制定协议依据：ISO的开发系统互联协议(OSI)。 实际制定的协议：OSI中的某些层 OSI协议：7层协议结构
现场总线系统的组成：
7 6 5 4 3 2 1
应用层 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路 层 物理层
应用层
现场设备 形成系统的传输介质
－－控制层现场总线ControlNet
网络目标功 能 网络拓扑 端到端设备和I/O网络 在同一链路上传递I/O，编程和系统组 态信息 总线、星形、树形 网络节点数 99个可编地址 单段最多48个 模型对象设计；设备对象模型，类/ 实例/属性，设备描述
几种典型的现场总线
应用层设计
最大通讯速 率
通讯方式 网络刷新时 间 数据分组大 小 网络最大拓 扑
电源
网络模型
外部供电
生产者/消费者
连接器
物理层介质
标准同轴电缆BNC
RG6同轴电缆；光纤
其他几种典型现场总线
设备层现场总线DeviceNet：
基于CAN技术的开放标准，三层协议结构。罗克韦 尔 非完全开放的标准。德国
ProfiBus协议：
FF总线
由FF组织提出。三层协议结构。国际
端到端的控制系统解决方案。七层协议结构。 Echleon公司
－－控制层现场总线ControlNet
概述：ControlNet是一种面向控制层的实时性现场总线网络，在 同一物理介质上提供时间关键性I/O数据和报文数据：包括程序上、 下载，组态数据，和端到端报文传递。具有高度的确定性和可重 复性。适用于控制关系复杂关联、要求控制信息同步、协调实时 控制、输出数据速率高的应用场合。 7 应用层 对象和对象模型 ControlNet协议规范
《工业控制网络与人机界面组态技术》电子教案 第七章+工业现场总线
的智能设备能直接执行多种传感、 控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数 量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不
再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术
5.1.2 现场总线的优点
等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作 为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控 制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 2、 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单， 由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设 备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减 少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。 当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆， 可就近连接在原有的电缆上，既节省了投
5.1.1 现场总线的技术特点
1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开， 各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交 换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工 厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关 标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。 一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其 它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总 线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成 的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象 把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
5.1 概述
现场总线技术在历经了群雄并起，分 散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围 的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的 国际标准。其中有较强实力和影响的 有 :FoudationFieldbus （FF）、 LonWorks、Profibus、HART、CAN、 DeviceNet等。它们具有各自的特色，在不 同应用领域形成了自己的优势。
5.1 概述
作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协 议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点； 具有一定的时间确定性和较高的实时性要求；还 具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换 频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网 络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通 信网的特色。
再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术
5.1.2 现场总线的优点
等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作 为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控 制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 2、 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单， 由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设 备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减 少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。 当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆， 可就近连接在原有的电缆上，既节省了投
5.1.1 现场总线的技术特点
1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开， 各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交 换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工 厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关 标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。 一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其 它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总 线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成 的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象 把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
5.1 概述
现场总线技术在历经了群雄并起，分 散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围 的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的 国际标准。其中有较强实力和影响的 有 :FoudationFieldbus （FF）、 LonWorks、Profibus、HART、CAN、 DeviceNet等。它们具有各自的特色，在不 同应用领域形成了自己的优势。
5.1 概述
作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协 议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点； 具有一定的时间确定性和较高的实时性要求；还 具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换 频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网 络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通 信网的特色。